专利名称：在gps接收机中确定时间的制作方法
本申请要求下述优先权和权益1999年2月19日提交的美国未决实用新型专利申请号09/253,318，1999年2月19日提交的美国未决实用新型专利申请号09/253,662，和1999年2月19日提交的美国未决实用新型专利申请号09/253,679。
GPS卫星传送GPS接收机使用的数据，包括卫星位置数据(天体位置表数据)和卫星时钟校正数据。GPS信号包括用1023位长的戈登(gold code)扩展码，以1.023Mhz芯片速率(0.001秒重复间隔)双相调制的载波信号。它也以每秒50比特(BPS)的速率(传输速率是每数据位二十毫秒)按数据位调制。50BPS的数据包括用于确定GPS基准时(即GPS卫星的时钟时间)的信息和用于确定地理位置的信息。
GPS信号包含的数据的详细信息可以在接口控制文件ICD-GPS-200中找到，接口控制文件修订于1991年，由Rockwell InternationCorporation出版，收入本文作为参考。GPS信号中包括的时钟时间是在卫星上精确同步的绝对时间信号。也就是说，由把从卫星到地面站的信号传播时间考虑在内的地面基准站点来同步GPS组中的所有卫星。按这种方式，卫星组中的每一颗卫星都在卫星上进行了时间同步，绝对的时间误差被精确地控制在几毫微秒到几十毫微秒之内。
GPS接收机可能使用绝对时间信号以准确地确定位置。一旦大致知道了位置所在，可以通过利用接收机和卫星之间的，可计算的传播延迟来补偿接收机从卫星广播消息中得到的明确的时间得到。
由于GPS卫星每毫秒大约移动四米，所以对接收机中绝对时间的认知是重要的参数。如果范距时间有一毫秒的误差，那么测量范围就会有四米的误差。这个范围误差乘以一个几何系数(GDOP，或精确度的几何削弱)换算成附加位置误差，该附加位置误差可以是四米的附加范围误差的几倍。
包括在50BPS数据中的，与绝对时间信号相关联的周时间(TOW)数据域使GPS接收机能够精确地和可靠地确定本地时间。TOW数据由所有的卫星按六秒的间隔传送。TOW数据的检测是依赖于信号幅度的低于一定信号幅度电平时，仍然可能获得范距，但是不能解码TOW数据。例如，要是信号电平在大约30dB-Hz以下，将不可能解码50BPS消息的各个的消息位。然而，在信号大大低于30dB-Hz，低到的20dB-Hz以下的等级的时候，还是可能获得信号相交性的。可以使用摩托罗拉申请S/N 09/253,318，S/N 09/253,662和S/N09/253,679中应用的技术来扩展在这些电平上的相关检测的灵敏度。因此，所需要的是一种在信号电平低于30dB-Hz时确定时间的方法。
GPS接收机不能总是可靠地从GPS卫星广播数据中确定本地时间。GPS功能是非常有用的，因此，已经结合到多种设备之中，包括(例如)蜂窝电话和其它手持电子设备。由于它们的便携性，这种设备经常用在城市楼群行驶的车辆中、或带入建筑物或其它障碍物中。作为一种自然的结果，GPS信号可能被阻断，或接收质量非常差。这可能使接收到的50BPS绝对时间信号不可靠。在这种情况下，GPS手持机获得准确的时间度，而使得可以得到是令人满意的位置的测量信号。因为GPS卫星的移动速率大约是每毫秒四米，如果不能准确地知道范围测量信号的时间，范围测量信号和得H的位置测量信号将具有相应比例的误差。例如，如果测量信号时间包括20毫秒的误差，范围测量信号的误差将可能是80米，所得出的位置测量信号可能有几百米的误差，这取决于几何状态。
在一些蜂窝电话设备中，诸如CDMA(码分多址)蜂窝电话，基础设施是同步的，并且每个基站从网络GPS接收机接收精确的时间。然后CDMA基站向移动设备传送时间同步移动设备，使得CDMA电话手持机的时间可以测度到一毫秒数量级的精度(加上传输延迟)。
在非同步的GPS设备中，诸如(例如)全球数字移动电话(GSM)蜂窝电话系统，希望得到精确的时间信息，但是通常不能由从网络发射的信号中获得。然而，通过增加适当的硬件和/或软件来修改现有系统，以获得同步是不可行的和昂贵的。
相关技术试图通过多种方法来解决这个问题。Krasner在美国专利5,812,087中提出了第一种方案。Krasner在手持机中使用数字闪存来采集随机地带数据，并将其传送给基站。基站使用传统GPS接收机来测量由数字闪存采集的50BPS数据位部分的到达时间。基站测量的数据位有一个已知的到达时间，并且与数字闪存采集的未知数据位进行关联。当获得了最大相关性时，就可以确定移动存储器中的数据采集时间。
然而，Krasner方法中的缺点是需要远程基站GPS接收机。远程基站GPS接收机必须从一个或多个GPS卫星测量出当前的50GPS数据序列，然后将其传送到移动单元。变通地，移动单元可以将检验后的相关性数据传送到基站。两种方式不论用哪个，这种方案需要在基站和移动单元之间传送大量的比特(例如，每12个卫星时间50比特)，并且它还需要手持机存储接收到的数据的采样信号，用于继续与从基站观察和通信的模式相关联。
在第二相关的技术方案中，位置测量单元(LMU)遍及整个非同步网络。LMU的目的是测量由非同步通信网络遵从的时间和GPS时间之间的时间偏差。各个的LMU测量从每个基站传来的消息比特的到达时间，并确定每个基站的相对时间偏差。这是由LMU内部的GPS接收机来完成的，并且需要知道每个基站的位置和LMU的位置(为了确定传输时间)。
然而，第二相关的技术方案花费昂贵，因为它在通信网络中需要额外的组件。同时这也是一个复杂的解决办法。在第三相关的技术方案中，在固定的主站观测50BPS数据序列。时间数据从主站传送到移动单元。移动单元可以使用已知的数据模式和其已知的到达时间(由主站测定)来将采集带宽缩窄到50BPS数据速率以下。
同样，主要的缺点是测量过的50BPS数据序列必须要传送给移动单元，并且移动单元必须能够接收和解调这些数据。
因此，此技术中还是需要在GPS手持机中有测量时间确定，所述GPS手持机是非同步网络(诸如GSM系统)的组成部分。
根据本发明的第二方面提供了一种用于在GPS接收机中确定时间的方法。这个方法包括如下步骤采集预定的周期时间长度的相关后的相干GPS数据；在采集的数据中定位期望的数据模式；以及确定数据采集起始时间和期望的数据模式到达时间之间的时间偏差。
根据本发明的第三方面提供了一种用于在GPS接收机中确定时间的方法。这个方法包括如下步骤将GPS消息向下变频为预定的中频；采样中频以产生多个采样信号；将多个采样信号存储到存储器中；为每个可见GPS卫星信号确定编码相位；为存储器中的每个可见GPS卫星信号确定多普勒频率漂移；选择卫星GPS数据；测量和存储多个预定周期时间内的相关性后数据的同相相干特征；测量和存储多个预定周期时间内的相关性后数据的正交相干特征；将同相相干特征和正交相干特征与期望的数据模式相干地关联；并且，由于相关的最大值出现与采集步骤开始之后的时间偏差相联系从相关性的最大值确定时间偏差。
本发明的第四个方面提供了一种用于在GPS接收机中确定时间的方法。这个方法包括如下步骤将GPS消息向下变频成预定的中频；采样中频以产生多个采样信号；非相干关联多个相对于每个可见卫星PRN和每个卫星多普勒效应的采样信号；为每个可见GPS卫星信号确定实时编码相位和实时多普勒频移；选择卫星GPS数据；测量和存储多个预定周期时间上的相关性后数据的实时同相相干特征；测量和存储多个预定周期时间上的相关性后数据的实时正交相干特征；将同相相干特征和正交相干特征与期望的数据模式相干地关联；并且，由于相关的最大值出现与非相干关联步骤开始之后的时间偏差相联系从相关性的最大值中确定时间偏差。
本发明的第五个方面提供了一种用于在GPS接收机中确定时间的装置。这个装置包括用于将GPS消息向下变频成预定的中频GPS下变频器，所述下变频可以被连接到GPS信号源；用于将中频数据转换成数字数据的，连接到下变频器的模数转换器；连接到模数转换器和时钟的数字IF开关，这个数字IF开关由时钟控制，周期性地关闭一个预定的采采样信号周期时间；连接到数字IF开关，并能够存储在数字IF开关关闭时可得到的多个数字IF数据的IF存储器；连接到IF存储器，并能够为所述多个数字IF数据确定编码相位特征、确定多普勒效应特征和确定信号强度特征的非相干GPS相关器；连接到IF存储器和非相干GPS相关器，并产生同相和正交相干测量信号的相干GPS相关器；连接到相干GPS相关器的存储器存储开关，这个存储器存储开关周期性地关闭，以产生多个同相和正交测量信号；连接到存储器存储开关，并能够的存储多个同相和正交测量信号的采样信号存储器；连接到采样信号存储器和期望的数据模式存储器的相关器，这个相关器将多个同相和正交测量信号与期望的数据模式相干地关联，以产生相关性输出；连接到相关器的相干积分器，这个相干积分器积分相关性输出，以产生积分输出；连接到相干积分器的幅度确定器，这个幅度确定器检测积分输出，并产生多个积分量；连接到幅度确定器，并存储多个积分量的幅度-延迟特性存储器；以及连接到幅度对延迟特性存储器的最大积分幅度确定器，其中，最大信号幅度的延迟期就是时间偏差。
本发明的第六个方面提供了一种用于在GPS接收机中确定时间的装置。这个装置包括用于将GPS消息向下变频成预定的中频的GPS下变频器，下变频可以被连接到GPS信号源；连接到下变频器，用于将中频数据转换成多个数字数据的模数转换器；连接到模数转换器，并能够为多个数字数据确定编码相位特征、确定多普勒效应特征和确定信号强度特征的非相干GPS相关器；连接到模数转换器和非相干GPS相关器，并产生同相和正交相干测量信号的相干GPS相关器；连接到相干GPS相关器的，存储器存储开关该存储器开关周期性地关闭，以产生多个同相和正交测量信号；连接到采样信号存储器开关，并能够存储多个同相和正交的后相关性测量信号的采样信号存储器；连接到采样信号存储器和期望的数据模式存储器的相关器，这个相关器将多个同相和正交测量信号与期望的数据模式相干地关联，以产生相关性输出；连接到相关器的相干积分器，这个相干积分器积分相关性输出，以产生积分输出；连接到相干积分器的幅度确定器，这个幅度确定器检测积分输出，并产生多个积分量；连接到幅度确定器，并存储多个积分量的幅度-延迟特性存储器；以及连接到幅度-延迟特性存储器，并能够确定最大积分量的最大积分幅度确定器，其中，最大信号幅度的延迟期就是时间偏差。
通过下面对优选实施例的结合图例的描述，可以更详细地了解本发明的上述和其它的特点和优点。
具体实施例方式
实现了一种在非同步的GPS手持机中确定时间的廉价方法，所述的方法不需要与外部接收机或独立定时间装置的通信链路和数据传输。GPS卫星信号的可预知的结构为在GPS手持机中确定时间提供了帮助卫星广播信号至少有三部分(每一个都是6秒种重复一次)，其中，50BPS数据模式或数据序列可以被精确地了解，或者说可以精确地计算为时间的函数(即，确定性的)。可以把这些已知的和可预知的数据序列或数据模式跨多个的数据位相关联，并用于确定精确的时间，即使GPS信号微弱到不能将50BPS数据消息的单个数据位进行解调。
图1所示为每个GPS卫星每6秒钟传输一次的GPS数据字100。GPS数据字100包括前同步码102，HOW字105，以及子帧ID106。前同步码102包含对于每一颗卫星来说是相同的八位预定标识符，它按照同样的模式每6秒钟重复一次。另外，来自上个子帧的前两位总是相同的(00)，因此，对每颗卫星来说，总共有十位总是相同的。在本文后面的部分里，术语“前同步码”表示包括前面子帧最后两位(00)和当前子帧前八位的十位序列。在基于50BPS的数据速率上，每颗卫星需要花费200毫秒来传送前同步码102。HOW字105是十七位长的字，它定义了下一个子帧第一位的周时间(time of week)。子帧ID106是一个三位的域，它定义了五个可能的子帧中每一个的内容。需要花费340毫秒来传送HOW字105，花费60毫秒来传送子帧ID106。
因此，十位的前同步码102总是相同且已知的，而且十七位的HOW字105和三位的子帧ID106作为时间的函数是可预期的。由于新的HOW字105和子帧ID106在6秒间隔之内的消息中出现，知道手持机中三秒之内的本地时间就可以知道每个子帧的十七位HOW字105和三位子帧ID106的精确模式。在已经作为每一个手持机的一部分的廉价的和低功率的实时时钟的性能范围之内，把手持机本地时间维持在三秒之内是容易的。
50BPS消息的每一位都与以1.023MHz传送的1023位扩散的戈登码相干，戈登码本身也与精确的卫星时钟相干。戈登码对每个数据位重复20次，要求大约20毫秒的周期时间来对发生20次的每个戈登码位进行解码。
由于50BPS消息是与卫星时钟同步的，所以从卫星传送50BPS消息的每个比特的时间是被精确地控制的和已知的，并可以被用来指示精确的时间。如同前面提及的，GPS地面控制段将每颗卫星中的精确时钟保持(即控制)在几个毫微秒的精度上。因此，从卫星传送前同步码102、HOW字105和子帧106的时间是精确地知道的。与这些已知的和可预知的数据位模式的接收时间进行同步使得能够通过在预知位的接收时间中添加信号的飞行时间(在卫星和接收机之间的传播延迟)和卫星时钟误差，来传送精确的绝对本地时间。知道在接收机中由卫星广播天体位置表和时钟校正数据(它们也被用于通过测距计算位置)，就可以计算出传播延迟和卫星时钟误差。
GPS数据字100的到达时间可以被用于校准GPS手持机中的自由运行的本地时钟。校准方法可以使用属于King的美国专利5,893,044中的方法，这里引作参考。前同步码102和/或HOW字105，和/或子帧106的到达时间(TOA)可以被用于测量空中(on the fly)卫星的测量时间，或可选地，可以被用于测量采集到存储器中的时间。在GPS信号很强的场合，使用GPS信号采集和相关的用正播发的时间的方法，在信号很弱或不可靠的时候，使用GPS信号采集和相关的存储器方法。
如果使用存储器，存储器优选地要大于所必需的容量，以存放任何一个或全部的数据段。采集时间优选地由自由运行的本地实时时钟控制，本地实时时钟由本专利中的技术，或由属于King的美国专利5,893,044中的技术，或通过使用一些其它粗糙的时间基准(诸如从网络向手持机发送的脉冲或消息)周期性地重新校正。重要的是采集间隔起始时间要足够精确，从而能够将一个子帧数据的模式开始与其它模式区分开来，或者有至多3秒的误差。一旦数据段被采集到存储器中(或者是相关前的IF存储器，或者是相关后存储器)，数据段的精确到达时间都可以直接测量出来，由此确定数据采集时间，并由此确定测距时间。这样做不需要广泛地修改现有的GSM蜂窝设备的硬件，不需要向现有通信网络中添加附加的组件，也不需要专门的网络通信。
GPS接收机或手持机可以有自己的内部时钟。然而，内部时钟可能没有所需的精度来精确地追踪GPS信号数据的到达时间。反之，内部时钟可以通过析取GPS信号消息100的到达时间，和使用测量出的到达时间来周期性地重新校正。预期在最坏情况下，GPS手持机中的本地实时时钟可以使用具有百万分之50的误差的32kHz震荡器，大约一天进行两次必不可少的重新校正(1秒的精度漂移)。
当然，由于手持机中的本地实时时钟是不同的，测量的GPS数据消息100的到达时间也会改变，但是由于本地实时时钟(它们的时间变化速率也可以由GPS来校正)的差异相对较小，所以测量的到达时间可以用于确定时间偏差，这对于重新校正本地实时时钟是非常有用的。例如，在图1中，显示前一个子帧和当前子帧的竖直线指示了GPS期望的手持机GPS数据消息100的开始位置。因此，测量实际的开始时间与期望GPS手持机开始的时间之间的差别就得出一个时间偏差，这个偏差就可以用于重新校正GPS手持机时钟时间和时间变化速率。
在没有校正本地实时时钟的情况下，那么使用查找过程来采样片段，用已知数据模式或序列来测试它，然后将测试时间间隔移动到另一个片段长度，并不断重复这个过程，直到找到一个期望的已知数据模式或序列。
图2A-2B显示了使用一秒采集时间帧(timeframe)200来采集数据片段。在这个实施例中采集一秒钟的输入GPS信号。可以根据需要使用其它的采集时间帧。在图2A中，前同步码102(由于时钟漂移)在GPS手持机期望的开始时间之前到达。然而，由于采集时间帧200的体积的原因，整个前同步码102被采集并存储。一秒采集时间帧是优选的，它使得在期望的前同步码开始时间之前或之后的GPS数据被采集。因此，可以通过测试采集的数据来找到前同步码确切的开始时间。
在图2B中，前同步码102在期望的开始时间之后到达。通过使用一秒采集时间帧200，本地手持机时钟可以被关闭一会儿，但这时整个前同步码102仍然可以被采集。
图3所示为用于在GPS手持机中确定时间的方法的第一实施例的流程图300。在步骤304中，采集一个预定周期时间长度的GPS数据。在优选的实施例中，如图2A和图2B中所示，尽管可以使用其它周期时间，这里采集一秒钟的GPS数据。采集事件的开始时间和持续时间由本地实时时钟控制。本地实时时钟被预先校正(或者用这里描述的方法，或者用传统GPS信号处理技术)，并可能发生漂移。
本地实时时钟的精度取决于稳定的驱动震荡器，诸如(例如)手持机基本振荡器。在GSM和CDMA手持机中，手持机基准振荡器的稳定性通常为大约0.05PPM(即，震荡器在100,000,000次振动中，可能加或减5次振动)。本地实时时钟还可能由一个简单的32kHz自由运行的震荡器来驱动。
在步骤308中，在采集的数据中定位有确定的或预定特征的期望的数据模式(例如，前同步码、HOW字、子帧ID等的编码复制品)。在优选的实施例中，这是图1中所示的前同步码102。然而，可能会使用其它有确定的或预定特征的期望的数据模式，诸如HOW字105。
在步骤311中，确定从采集开始时间到期望的数据模式或数据序列到达的时间之间的时间偏差。
在步骤315中，应用了从卫星和接收机发送的信号的传播延迟和卫星偏差时钟校正信号，产生本地时间的精确量度。可能使用这个时间偏差来重新校正GPS手持机中的时钟，并且成为卫星测距的时标基础。
图4所示为用于在GPS手持机中确定时间的方法的第二实施例的流程图400。流程图400与第一实施例的流程图300之间唯一的区别是该方法用正播发的时间完成。因此，在步骤404中，这个方法不是像步骤304那样，仅仅采集GPS数据，而是采集相关后的相干GPS数据。步骤408与步骤308是完全一样的；步骤411与步骤311是完全一样的。
应当理解，不论流程图300还是流程图400都可以使用。实时的、用正播发的时间的方法是优选的，但是作为一种变通，可以将GPS信号存储在存储器中，然后进行处理。通常，在接收机失去了相关性时钟，和不再能把接收到信号原样实时地关联的情况下使用存储器。这样做可以改善或维护信号的接收，以提高接收到的信号强度，减少功率消耗，或在时间上扩展计算负载。
图5所示为用于在GPS手持机中确定时间的方法的第三实施例的流程图500。在步骤501中，将接收到的GPS消息下变频成中频。在领域内这样做是普遍公知的，用于使得数据的处理和维护变得更容易。
在步骤504中，对中频采样以得到多个数字采样信号。采样通常在预定的周期时间(诸如(例如)一秒)内完成，结果在优选的实施例中，产生两百个采样信号。
在步骤507中，存储了数字IF采样信号，在优选的实施例中，它们被存储在普通的存储器中，诸如(例如)随机存取存储器。然而，数字IF采样信号可以存储于任何类型的数字存储设备中。
在步骤510中，由接收到的数据，为每颗可见的卫星确定编码相位。
在步骤512中，由接收到的数据，为每颗可见的卫星确定多普勒(或频率)频移。GPS系统使用了二十四颗分布在绕地球轨道上的卫星，通常，在晴朗的天空下至少能看见四颗卫星。
在步骤517中，选择最强的信号进行处理。因为这个方法是为接收到的GPS信号相对较弱的时候确定精确的时间而设计的，选择最强的信号为处理成功提供了最大的可靠度和最高的可能性。通过只处理最少的数字信号也就是只处理一个信号，减少了计算时间，从而降低了能量消耗。当然，不是绝对需要使用最强的信号来确定精确的时间。另外(但是是次优的)，可以使用多个信号来确定精确的时间。
在步骤522中，测量并存储相关后相干信号的同相特征。在步骤527中，测量并存储后相关相干信号的正交特征。优选地，步骤522和步骤527同时完成。
在步骤531中，将步骤522和步骤527中确定的同相和正交特征与期望的数据模式进行相干地关联。在优选的实施例中，这是前同步码102，HOW字105，和/或子帧ID106。实际上，在步骤531中，将接收到的信号的与期望的数据模式进行比较，以确定期望的数据模式是在接收到的数据的序列中的什么时间开始的。
在步骤534中，由相关性最大值确定时间偏差。步骤531中的相关性将产生一个峰值(这可以在图9中看到)，这个峰值就是最大相关性点，即，在这点上，输入数据与期望的数据模式的相匹配。因此，在开始数据采集和峰值之间的时间就是时间偏差，在这个时间点上，期望的数据模式开始了。
在步骤538中，用步骤534确定的时间偏差、编码相位和所选卫星的位置、这颗卫星相应的时钟校正(在任何GPS接收机中是标准的)、特定的GPS数据片段(前同步码102，HOW字105，和/或子帧ID106)的到达时间、和手持机的地理位置，来确定采集时间。手持机的位置可以通过从初始的推测开始，用迭代计算的方法得到，初始的推测是(例如)最近的蜂窝基站的位置(每个蜂窝基站都有已知的经度和纬度)。这些数据足够确定时间偏差。然后，可以用时间偏差来重新校正手持机的实时时钟，以维持与GPS卫星系统的时间同步。
图6所示为用于在GPS手持机中确定时间的方法的第四实施例的流程图600。流程图600与第三实施例中流程图500的差别在于步骤607，流程图600把GPS采样信号对每颗可见卫星的准随机噪声(PRN)编码(即，每颗卫星的唯一标识符，也被称做戈登码)和每颗可见卫星的多普勒效应特征，非相干地相关。图6中所示的其它步骤类似于图5中的相应步骤。与图4中的方法类似，图6中的方法是用正播放的时间偏差，不需要数字IF存储器。
应当理解，可以使用流程图500也可以使用流程图600。实时的、正播放的方法是优选的，但是作为一种变通，可以将GPS信号存储在存储器中，然后进行处理。通常，在接收机失去了相关性时钟，和再不能把信号以接收到的原样实时相关的情况下使用存储器。可以在为了改善或维护信号的接收，以提高接收到的信号强度，减少功率损耗，或在时间上进行处理。
图7所示为用于在GPS手持机中确定时间的装置700的第一实施例的方框图。装置700包括天线704，GPS下变频器709，模数转换器(ADC)711，预相关性数字IF开关713，本地实时时钟715，数字IF存储器721，采集辅助数据724，非相干GPS相关器726，相干GPS相关器729，相关后相干存储器存储开关732，采样信号存储器735，清除混合器738，相关器742，预存储的预知期望数据模式744，时间扩展器748，时间延迟器750，相干积分器754，幅度确定器757，幅度-延迟特性存储器762，最大积分幅度确定器766。
天线704接收GPS信号，并将其传送给GPS下变频器709。GPS下变频器709将GPS数据信号转换成中频(IF)并将其传送给ADC711。ADC711将IF数据转换成数字IF数据，然后发送数字IF数据到数字IF开关713，在本地实时时钟的控制下，进行数字IF数据的周期性采样，这些周期采样信号(相关前)存储于数字IF存储器721中。
为了保证在N毫秒长的记忆中目完全地采集标位，本地实时时钟715的精确度必须要保持在(N-M)/2毫秒内。在优选的实施例中，如果N的值为1秒，M的值为200毫秒，时钟可以漂移正负400毫秒而仍然能够用于采集目标数据序列。
然而，本地时间715必须周期性地重新校正。可以通过许多方法来完成重新校正，这些方法包括1)在每一个GPS位置定位请求中，应用本文说明的方法，2)预期实时时钟715会漂移一个不能接受的量时自动重新校正，3)当手持机处于晴朗的天空下，传统的GPS能够直接从GPS信号中析取时间，4)当手持机有远程的能源(诸如，充电时)时，从传统GPS信号检测器获得时间，和当有信号时，直接从GPS信号中得到时间，5)从建在车载箱的内装GPS传感器或交通工具本身，通过诸如(例如)蓝牙之类的无线接口，从车载设备向手持机传送时间，6)从非同步的网络向手持机传送进程时间。
非同步GPS相关器726确定存储于数字IF存储器721中的，接收到的GPS卫星信号的编码相位特征、多普勒效应特征和信号强度特征。应当理解，这里所说的硬件能够接收多个GPS卫星信号，把数字IF数据存储于存放若干卫星信号数据的数字IF存储器721中。如前所述，在任何时候，在GPS手持机的视野中至少有四颗卫星，并切可能有更多的卫星。因此，至少可能会出现四个GPS数据信号。
非相干GPS相关器726还从采集辅助数据724接收信息，包括卫星天体位置表，诸如已知的或期望的卫星位置。采集辅助数据724使非相干GPS相关器726能够区分卫星信号，并为每个可检测的卫星信号确定编码相位(0到1毫秒时间偏差)和多普勒频率(+/-4kHz)。
非相干GPS相关器726可以是时间域相关器，相关器相干地累加连续的输出到1毫秒。在属于Kennedy等人的美国专利5,148,452中显示了这种相关器的一个例子，本文引入作为参考。作为一种变通，非相干GPS相关器726可以是由Krasner在美国专利5,663,734中，或Ma等人在美国专利4,998,111中介绍的频域相关器，这两个专利引入本文参考。值得注意的是，非相干GPS相关器不需要知道50BPS数据模式，并可以在传统GPS信号处理技术失效的环境中，析取信号的确定编码相位和多普勒频移。另外，非相干GPS相关器726可以由专用硬件实现，或由编入可编程数字信号处理器的软件产生。
相干GPS相关器729同样地连接到数字IF存储器721，也连接到非相干GPS相关器726。来自数字IF存储器721的数据被馈送(单信道的)相干GPS相关器729中，相干GPS相关器729在预定的编码相位和多普勒效应上产生一毫秒的同相和正交信号测量信号。相干GPS相关器729是单信道的相关器，并产生从非相干GPS相关器726接收到的最强的GPS数据信号的同相和正交信号度量。在这点上，选择并从此点继续使用的最强的GPS信号是为了增加对预期的数据模式的得到时间测度的可靠性和可能性。值得注意的是，非相干相关器726和相干相关器729可以是按两种模式使用的同一个相关器。
类似于非相干GPS相关器726，相干GPS相关器729可以由专用硬件实现，或由编入可编程数字信号处理器的软件产生。
后相关性存储器存储开关732连接到相干GPS相关器729，它还连接采样信号存储器735，并产生存储于采样信号存储器735中的同相和正交信号测量采样信号字。在优选的实施例中，后相关性存储器存储开关732一毫秒的采本，并产生同相和正交信号度量的复数数据的N个字，这些字与存储于数字IF存储器721中的N毫秒数据相对应。1毫秒的采样信号是解扩展了的(GPS是扩展的波谱信号)，它的多普勒效应大约是零，因此在采样信号字中唯一留下的信号就是50BPS数据模式(和噪音)。
清除混合器738连接到采样信号存储器735，它从存储的同相和正交信号度量从除去任何残余的多普勒效应特征(采样信号存储器735存放从采样信号中除去全部或差不多全部多普勒效应的同相和正交信号度量)。由于相关后采样信号已经存储于存储器中，并可以重放，所以这可以通过多种方法按迭代的方式完成。例如，一种方法涉及在储存在采样信号存储器735中的全部采样信号集中的多重相关性上逐步迭代残余多普勒擦去频率，从而找到使幅度延迟特性存储器762中的峰值信号最大化的多普勒擦去频率。为了最好地实现这一点，当采样信号存储器735被存满的时候，应当将用于擦除相干相关器729中的大部分多普勒信号的估计多普勒频率保持为常量。按这种方法，可以使用作为常量保留的多普勒擦去频率，或在接收机处于动态的情况下，可以试行把线性调率的(非常量，以恒定的频率变化率变化的)残余多普勒擦去频率作为交互试验的一部分。
相关器742连接到清除混合器738和期望的数据模式744。相关器742按期望的数据模式744相关同相和正交测量信号。
在优选的实施例中，期望的数据模式744是GPS数据消息100的前同步码102，HOW字105，和/或子帧ID106。期望的数据模式744连接到将每一位的持续时间从1毫秒扩展到20毫秒的时间扩展器748，扩展器748还连接到延迟750。延迟750连接到相关器742。因此，预知的50BPS数据模式被转换成200毫秒的长度(对于使用前同步码102的情况来说)，以匹配存储于采样信号存储器735中的采样信号字的长度。相关器742将期望的数据模式与接收到的并存储的数据相干地相关，当数据模式相关的时候产生一个高的值。如图8，信号A和信号B进行相关，以产生信号C。因此，当信号A和信号B的值相同时，信号C包含数字1，当信号A和信号B的值不同时，信号C包含数字0。这可以通过在硬件中使用专门的或门电路，或由存储于微处理器的存储器中的算法来完成。
相干积分器754连接到相关器742，并积分相关性输出以产生积分输出。值得注意的是，完成N-M延迟的相干积分的许多工作可以用存储于微处理器中或专用硬件中的递归算法来实现，从而大大减少了所需的操作量。另外，乘法运算全部是乘以+1或-1，这大大地简化了算法。
幅度确定器757连接到相干积分器754，并检测积分结果的量。来自幅度确定器757的多个积分量被存储到幅度-延迟特性存储器762中。在优选的实施例中，产生N-M量值的总量，并将其存储于幅度-延迟特性存储器762中。参数N是存储于采样信号存储器735中的字的体积，N反映了数字IF存储器721中采集的数据的毫秒数。在数字IF存储器存放1秒数据(即1000个采样信号)的情况下，参数N是1000。参数M是已知数据模式的长度。如果要采集前同步码，参数M为200毫秒长。类似地，对于HOW字105，参数M是340毫秒。积分量的数量对应于在ADC711之后采集的原始IF数据中采样信号的数量。
然后，最大积分幅度确定器766用存储于幅度-延迟特性存储器762中的数据来确定达到最大积分结果的点。如图9，其中最大积分量表示预知的数据模式的开始。在开始信号采集的时间(时间零点)和测量到的最大积分量(峰值)之间的时间偏差就是要找的时间偏差。如同前面结合图5的步骤538和图6的步骤638讨论的，时间偏差可以(与编码相位和所选的卫星位置，以及相应的卫星时钟校正一起)用于确定精确的(本地)时间和重新校正手持机实时时钟。
以类似的方式，采用图10所示的用于在GPS手持机中确定时间的装置的第二实施例，它去掉了图7中所示的数字IF采样信号存储器和IF开关。参考图10，本地实时时钟1015直接控制存储于采样信号存储器1035中的相关后同相和正交采样信号的采集时间开关1032。其余的设备与参考图7的描述中的一样。因此，设备1000被设计成在处理正传播着的信号，以确定时间偏差。
值得注意的是，元件732到766和元件1032到1066优选地由在控制微处理器中运行的软件算法来完成，这样就不需要额外的硬件了。
虽然在上面的描述中详细的描述了优选的实施例，本发明并不局限在所描述的这些特定实施例中。显然，在不背离本发明的概念的情况下，本领域普通技术人员可进行各种利用、修改并且不同于这里描述的特定实施例。
权利要求
1.一种用于确定全球定位卫星(GPS)接收机中的时间的方法，该方法包括如下步骤从GPS消息中采集一个预定的周期时间上的GPS数据；在所述采集的GPS数据中定位期望的数据模式；和确定在所述预定的周期时间的起始时间和所述期望的数据模式到达时间之间的时间偏差。
2.如权利要求1中所述的方法，其中，所述时间偏差用于校正所述GPS接收机的时钟
3.如权利要求1中所述的方法，其中，所述GPS消息来自GPS卫星，其中，所述确定步骤还包括步骤校正所述时间偏差，从而为所述GPS卫星和所述GPS接收机之间的信号传播时间提供补偿。
4.如权利要求3中所述的方法，其中，所述校正步骤还包括步骤修改所述校正的时间偏差，从而为卫星时钟时间偏差提供补偿。
5.如权利要求1中所述的方法，其中，所述期望的数据模式是GPS消息前同步码。
6.如权利要求1中所述的方法，其中，所述期望的数据模式是交接字。
7.如权利要求1中所述的方法，其中，所述期望的数据模式是子帧ID。
8.如权利要求1中所述的方法，其中，所述期望的数据模式从由GPS消息前同步码、交接字和子帧ID及其组合组成的组中选出。
9.如权利要求1中所述的方法，其中，所述预定的周期时间大约为一秒。
10.如权利要求1中所述的方法，其中，所述采集步骤包括如下步骤把GPS信号下变频为以预定的中频；对所述向下变频的GPS信号进行采样，以产生多个采样信号；和在存储器中存储所述多个采样信号。
11.一种用于确定GPS接收机中的时间的设备，该设备包括用于将多个GPS信号下变频成中频的下变频器；连接到所述下变频器的模数转换器，用于将所述多个下变频的GPS信号转换成数字数据；连接到所述模数转换器和时钟的数字中频(IF)开关，所述数字IF开关由所述时钟控制，以周期性地关闭一预定的采样周期时间；连接到所述数字IF开关的IF存储器，用于存储在所述数字IF开关关闭时可用的多个数字IF数据；连接到所述IF存储器的非相干GPS相关器，用于为所述多个数字IF数据中的多个GPS信号确定编码相位特征、确定多普勒效应特征、确定信号长度特征，并基于所述确定了的编码相位特征、所述确定了的多普勒效应特征，和所述确定了的信号强度特征选择GPS卫星信号；连接到所述IF存储器和所述非相干GPS相关器的相干GPS相关器，用于产生同相和正交相干测量信号；连接到所述相干GPS相关器的存储器存储开关，所述存储器存储开关周期性地关闭以产生多个同相和正交相干测量采样信号；连接到所述存储器存储开关的采样信号存储器，用于存储所述多个同相和正交相干测量采样信号；连接到所述采样信号存储器和预定的期望的数据模式存储器的相关器，所述相关器相干地将所述多个同相和正交相干测量采样信号与所述预定的期望数据模式存储器中的预定的期望数据模式相关联，以产生相关输出；连接到所述相关器的相干积分器，用于积分所述相关输出以产生积分输出；连接到所述相干积分器的幅度确定器，用于检测所述积分输出的量，并产生多个积分量；连接到所述幅度确定器的幅度-延迟特性存储器，用于存储多个积分量；和连接到所述幅度-延迟特性存储器，并能够确定最大积分量的并确定代表从存储多个数字IF数据到所述最大积分量的延迟周期的时间偏差的最大积分幅度确定器。
12.如权利要求11中所述设备，其中，采集时间由所述时间偏差、所述GPS卫星信号的编码相位、与所述所选GPS卫星信号相对应的卫星位置，和所述设备的位置等确定。
全文摘要
本发明提供了一种用于在GPS接收机中确定时间的方法和设备。所述的方法包括如下步骤在GPS消息中采集一个预定的周期时间的GPS数据(步骤304)；在采集的数据中定位预定的数据序列(步骤308)；和确定在数据采集开始时间和预期的数据模式到达时间之间的时间偏差(步骤311)。
文档编号G04G21/04GK1422384SQ01807665
公开日2003年6月4日 申请日期2001年3月29日 优先权日2000年3月30日
发明者托马斯·金 申请人:摩托罗拉公司